Исследователи обнаружили новую форму магнетизма в так называемом магнитном графене, которая может указать путь к пониманию сверхпроводимости в этом необычном типе материала.

Исследователи, возглавляемые Кембриджским университетом, смогли контролировать проводимость и магнетизм тиофосфата железа (FePS3), двумерного материала, который при сжатии претерпевает переход от изолятора к металлу. Этот класс магнитных материалов предлагает новые пути к пониманию физики новых магнитных состояний и сверхпроводимости.

Используя новые методы высокого давления, исследователи показали, что происходит с магнитным графеном при переходе из изолятора в проводник и в его нетрадиционное металлическое состояние, реализуемое только в условиях сверхвысокого давления. Когда материал становится металлическим, он остается магнитным, что противоречит предыдущим результатам и дает ключ к пониманию того, как работает электрическая проводимость в металлической фазе. Недавно обнаруженная магнитная фаза высокого давления, вероятно, является предшественником сверхпроводимости, поэтому понимание ее механизмов жизненно важно.

Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review X, также предполагают, что новые материалы могут быть сконструированы так, чтобы сочетать проводимость и магнитные свойства, что может быть полезно при разработке новых технологий, таких как спинтроника, которая может трансформировать способ обработки информации компьютерами.

Свойства материи могут резко изменяться с изменением размерности. Например, графен, углеродные нанотрубки, графит и алмаз состоят из атомов углерода, но имеют очень разные свойства из-за их различной структуры и размерности.

"Но представьте себе, что вы также смогли бы изменить все эти свойства, добавив магнетизм", - сказал первый автор доктор Мэтью Коук, который совместно работает в Кавендишской лаборатории Кембриджа и Университете Уорика. "Материал, который мог бы быть механически гибким и образовывать новый вид схемы для хранения информации и выполнения вычислений. Вот почему эти материалы так интересны, и потому что они резко меняют свои свойства, когда их подвергают давлению, чтобы мы могли контролировать их поведение."

В предыдущем исследовании Себастьяна Хейнса из Кавендишской лаборатории Кембриджа и Отдела наук о Земле исследователи установили, что материал становится металлом при высоком давлении, и описали, как кристаллическая структура и расположение атомов в слоях этого двумерного материала изменяются при переходе.

-Однако недостающая часть осталась, магнетизм, - сказал Коук. "Без экспериментальных методов, способных исследовать сигнатуры магнетизма в этом материале при таких высоких давлениях, наша международная команда должна была разработать и протестировать наши собственные новые методы, чтобы сделать это возможным."

Исследователи использовали новые методы для измерения магнитной структуры вплоть до рекордно высоких давлений, используя специально разработанные алмазные наковальни и нейтроны в качестве зонда магнетизма. Затем они смогли проследить эволюцию магнетизма в металлическое состояние.

"К нашему удивлению, мы обнаружили, что магнетизм выживает и в некотором роде усиливается",-говорит соавтор исследования доктор Сиддхарт Саксена, руководитель группы в лаборатории Кавендиша. "Это неожиданно, поскольку вновь свободно перемещающиеся электроны в новом проводящем материале больше не могут быть привязаны к своим родительским атомам железа, генерируя там магнитные моменты-если только проводимость не исходит из неожиданного источника."

В своей предыдущей работе исследователи показали, что эти электроны были "заморожены" в некотором смысле. Но когда они заставляли их течь или двигаться, они начинали взаимодействовать все больше и больше. Магнетизм выживает, но модифицируется в новые формы, порождая новые квантовые свойства в новом типе магнитного металла.

Поведение материала, будь то проводник или изолятор, в основном зависит от того, как движутся электроны или заряд. Однако было показано, что "спин" электронов является источником магнетизма. Спин заставляет электроны вести себя немного как крошечные стержневые магниты и указывать определенный путь. Магнетизм от расположения спинов электронов используется в большинстве запоминающих устройств: его использование и управление важно для разработки новых технологий, таких как спинтроника, которая могла бы трансформировать способ обработки информации компьютерами.

"Сочетание этих двух факторов, заряда и спина, является ключом к тому, как ведет себя этот материал",-сказал соавтор доктор Дэвид Джарвис из Института Лауэ-Ланжевен, Франция, который провел эту работу в качестве основы своих докторских исследований в Кавендишской лаборатории. "Обнаружение такого рода квантовой многофункциональности является еще одним скачком вперед в изучении этих материалов."

"Мы не знаем точно, что происходит на квантовом уровне, но в то же время мы можем манипулировать этим", - сказала Саксена. "Это похоже на те знаменитые "неизвестные неизвестные": мы открыли новую дверь к свойствам квантовой информации, но мы еще не знаем, что это могут быть за свойства."

Существует больше потенциальных химических соединений для синтеза, чем когда-либо можно было бы полностью исследовать и охарактеризовать. Но, тщательно выбирая и настраивая материалы с особыми свойствами, можно показать путь к созданию соединений и систем, но без необходимости прикладывать огромное количество давления.

Кроме того, получение фундаментального понимания таких явлений, как низкоразмерный магнетизм и сверхпроводимость, позволяет исследователям сделать следующие скачки в материаловедении и инженерии, с особым потенциалом в области энергоэффективности, генерации и хранения энергии.

Что касается магнитного графена, то в дальнейшем исследователи планируют продолжить поиск сверхпроводимости в этом уникальном материале. "Теперь, когда у нас есть некоторое представление о том, что происходит с этим материалом при высоком давлении, мы можем сделать некоторые прогнозы о том, что может произойти, если мы попытаемся настроить его свойства путем добавления свободных электронов путем дальнейшего сжатия", - сказал Коук.

- То, за чем мы гоняемся, - это сверхпроводимость, - сказала Саксена. "Если мы сможем найти тип сверхпроводимости, который связан с магнетизмом в двумерном материале, это может дать нам шанс решить проблему, которая существует уже десятилетия."

ИСТОЧНИК